JP6879884B2 - 駆動システム - Google Patents

Description

この発明は駆動システムに関し、特に、巻線接続状態が切り替えられる回転電機を備えた駆動システムに関する。

従来、回転電機の電機子巻線の巻数または巻線間の接続方法を切換えることにより運転領域を拡大し、特性を向上させた回転電機が提案されている。

例えば、特許文献１に記載の回転電機は、第１の固定子巻線と第２の固定子巻線とを有している。第１の固定子巻線は第１のインバータを介して第１のバッテリに接続され、第２の固定子巻線は第２のインバータを介して第２のバッテリに接続されている。また、第１のインバータと第２のインバータとは負極側直流母線同士が短絡されている。第１の固定子巻線と第２の固定子巻線とは中性点がスイッチを介して接続されている。このスイッチを切り替えることで、固定子巻線のターン数を切り替えることができる。

特開２０１３−２１９８６９号公報

特許文献１の従来の方法では、固定子巻線のターン数を切り替えることで、同相の巻線の直列／並列を切替えていたので、回転電機の速度に対するトルク範囲を拡大することはできた。しかしながら、特許文献１の切り替えは、ターン数が変化するだけであるため、電機子による磁束の空間高調波または時間高調波を変化させることが出来ない。その結果、トルク波形または振動モードを変化させることができなかった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、トルク波形および振動モードを変化させることが可能な駆動システムを提供することを目的とする。

この発明は、オープン巻線構造の回転電機と、前記オープン巻線がＨブリッジに接続された電力変換器とを備え、各前記電力変換器は、２つ以上の半導体スイッチを直列に接続して構成された第１のレグと、２つ以上の半導体スイッチを直列に接続して構成された第２のレグと、２つ以上の半導体スイッチを直列に接続して構成された１つ以上の切替レグとを有し、前記回転電機は、電気角での空間位相が異なる複数のスロットを有し、前記オープン巻線は、各相ごとに前記スロットに挿入され、前記各相のうちの１つの相の前記切替レグの中点と、前記各相のうちの他の相の前記切替レグの中点とが接続され、前記各相の前記第２のレグの中点が、前記切替レグの中点同士が接続された相同士で相互に接続され、相ごとに個別に設けられ、各相の前記電力変換器に対して並列に接続された直流電源をさらに備える駆動システムである。

この発明に係る駆動システムによれば、各レグを構成している半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで、相巻線の巻線接続状態を切り替えることができるので、回転電機の磁束波形を変化させることができ、トルク波形および振動モードを変化させることができる。

この発明の実施の形態１に係る駆動システムが有する回転電機の構成を示す側断面図である。 この発明の実施の形態１に係る駆動システムが有する回転電機の構成を示す正断面図である。 この発明の実施の形態１に係る駆動システムの回路構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１に係る駆動システムの回路におけるスイッチの状態を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る駆動システムの回路構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態２に係る駆動システムの回路におけるスイッチの状態を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る駆動システムの回路構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態３に係る駆動システムの回路におけるスイッチの状態を示す図である。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明する。各図において、同一または相当する部材及び部位については、同一符号を付して示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る駆動システムが有するモータ１を示す側断面図であり、図２は、図１のモータ１の正断面図である。

図１及び図２において、モータ１は、オープン巻線構造の回転電機である。本実施の形態１では、モータ１が、８極、４８スロットの永久磁石モータから構成されている場合を例に挙げて説明する。モータ１は、円筒形状のフレーム２と、フレーム２の両端をそれぞれ覆うように設けられた負荷側ブラケット３及び反負荷側ブラケット４と、フレーム２の中心軸線上に配置されたシャフト７と、シャフト７が挿入されたロータ８と、ロータ８とフレーム２との間に配置されたステータ９とを備えている。

なお、以下では、図１の左側を「負荷側」と呼び、図１の右側を「負荷側」の反対側という意味で「反負荷側」と呼ぶこととする。また、シャフト７の長手方向を「軸線方向」と呼ぶこととする。

フレーム２、負荷側ブラケット３及び反負荷側ブラケット４は、ケース１０を構成している。ケース１０は、フレーム２に対して負荷側ブラケット３及び反負荷側ブラケット４をボルト等で固定することで形成されている。

シャフト７は、負荷側ブラケット３及び反負荷側ブラケット４により、負荷側ベアリング５及び反負荷側ベアリング６を介して、回転自在に、２点支持されている。

負荷側ベアリング５は、ベアリング押さえ１１により、負荷側ブラケット３に対して軸線方向にボルト等で固定されている。反負荷側ベアリング６は、波ワッシャ１２を介して反負荷側ブラケット４に対して軸線方向に自由度を持って固定されている。

ロータ８は、ケース１０内に収納されている。ロータ８は円柱形状を有し、中心部分に貫通穴が形成されている。シャフト７は、その貫通穴に挿入されている。ロータ８は、例えばキーにより、シャフト７と一体化されている。

ステータ９は、円環形状を有している。ステータ９は、フレーム２の内壁面に対して、圧入または焼バメによって固定されている。ロータ８は、ステータ９の内部の空洞内に、同軸上に収納されている。ステータ９の内壁面とロータ８の外壁面との間には、予め設定された距離の空隙が設けられている。

ステータ９は、ティース１４を有するステータコア１５と、ティース１４間に形成されたステータスロット１６と、ステータスロット１６に挿通された相導体１７と、相導体１７を覆ったインシュレータ１８とを備えている。ステータコア１５は、円環状のヨーク１３と、ヨーク１３の内周側から径方向内側に等間隔で突出した４８個のティース１４とから構成されている。ステータコア１５は、両面が絶縁処理された薄板鋼板を複数枚積層して形成される。

ステータスロット１６は、隣接する２つのティース１４間に形成され、軸線方向に延びている。各ステータスロット１６には、それぞれ、径方向に２本並べて同相の相導体１７が挿通されている。インシュレータ１８は、各相導体１７を覆っている。

各相導体１７は、インシュレータ１８で一体モールドされている。インシュレータ１８で被覆された各相導体１７は、各ステータスロット１６に圧入されることで、ステータコア１５に固定される。

各相導体１７は、まず、ステータコア１５の軸線方向の一端部から、ステータスロット１６に挿通されて、ステータコア１５の軸線方向の他端部で外部に露出される。その後、１極ピッチ分、即ち、周方向に向かって６番目になるステータスロット１６の他端部からステータスロット１６内に挿通されて、ステータコア１５の一端部で外部に露出される。その後、引き続き、周方向に向かって６番目のステータスロット１６の一端部から、再び、ステータスロット１６を挿通して、他端部で露出される。

なお、各ステータスロット１６の挿通について、さらに具体的に説明する。図２には、相導体１７として、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相、Ｆ相の６相の相導体１７が図示され、それぞれ、相導体１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆとして示されている。これらの相導体１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆは、ステータコア１５の各ステータスロット１６に巻き回された相巻線を構成している。各ステータスロット１６は、等間隔で配置されている。各ステータスロット１６は、各相ごとに設けられ、各相における電気角での空間位相は、互いに異なっている。

まず、Ａ相の相導体１７ａのステータスロット１６の挿通について説明する。いま、４８個のステータスロット１６を、それぞれ、ステータスロット１６（１），１６（２），・・・，１６（４８）と呼ぶ。このとき、相導体１７ａをステータスロット１６（１）を始点として挿通していくとする。その場合、相導体１７ａを、まず、ステータスロット１６（１）の一端部から、ステータスロット１６（１）内に挿通させて、ステータスロット１６（１）の他端部で露出させる。その後、周方向に向かって６番目になる他のステータスロット１６、即ち、ステータスロット１６（７）の他端部から、ステータスロット１６（７）内に挿通して、ステータスロット１６（７）の一端部で露出される。その後、周方向に６番目のステータスロット１６、即ち、ステータスロット１６（１３）の一端部から、ステータスロット１６（１３）を挿通して、ステータスロット１６（１３）の他端部で露出される。このようにして、Ａ相の相導体１７ａをステータスロット１６の一端部から挿通して他端部から露出、次に、他端部から挿通して一端部から露出することを、ステータスロット１６（１）→（７）→（１３）→（１９）→（２５）→（３１）→（３７）→（４３）→（１）→・・・の順で繰り返していく。

同様に、Ｂ相の相導体１７ｂについては、Ｂ相の相導体１７ｂをステータスロット１６の一端部から挿通して他端部から露出、次に、他端部から挿通して一端部から露出することを、ステータスロット１６（２）→（８）→（１４）→（２０）→（２６）→（３２）→（３８）→（４４）→（２）→・・・の順で繰り返していく。

同様に、Ｃ相の相導体１７ｃについては、Ｃ相の相導体１７ｃをステータスロット１６の一端部から挿通して他端部から露出、次に、他端部から挿通して一端部から露出することを、ステータスロット１６（３）→（９）→（１５）→（２１）→（２７）→（３３）→（３９）→（４５）→（３）→・・・の順で繰り返していく。

Ｄ相の相導体１７ｄ、Ｅ相の相導体１７ｅ、Ｆ相の相導体１７ｆについても同様である。

各相導体１７は、このような各ステータスロット１６の挿通を、全部でステータコア１５の３周分繰り返した、波巻で構成されている。

なお、図２においては、１つのステータスロット１６内には、１相の相導体１７が３回挿通されている。また、ステータコア１５には、Ａ相からＦ相までの合計６本の波巻構成の相導体１７が巻装されている。相導体１７は、回転電機であるモータ１のオープン巻線を構成している。

また、図２の断面図では、実際には、内径側の相導体１７と、外径側の相導体１７とでそれぞれ相導体１７の三箇所の部位の断面が示されるべきであるが、それぞれ一つに纏めて記載してある。

各相導体１７の一端部には、負荷側リード２３（図示せず）の一端部が接続され、各相導体１７の他端部には、反負荷側リード２４の一端部が接続されている。負荷側リード２３及び反負荷側リード２４は、それぞれ、フレーム２に形成された引出し口２５を通ってモータ１の外部に引出されている。

ロータ８は、磁石スロット２０を有するロータコア１９と、磁石スロット２０に挿入された永久磁石２１と、ロータコア１９の軸線方向の両端に固定された端板２２とを備えている。ロータコア１９は、円柱形状を有している。ロータコア１９の両端は、図２に示すように、円形形状となっている。ロータコア１９には、図２に示すように、８個の磁石スロット２０が形成されている。それらの磁石スロット２０は、周方向に、等分間隔で配置されている。各磁石スロット２０は、軸線方向に、ロータコア１９の全長にわたって延びている。各磁石スロット２０には、永久磁石２１が挿入されている。永久磁石２１は、矩形の板状部材から構成されている。永久磁石２１の対向する２つの主面は、一方がＮ極で、他方がＳ極となっている。各永久磁石２１は、Ｎ極とＳ極とが交互に外径側を位置するように各磁石スロット２０に挿入されている。端板２２は、磁石スロット２０の両側を塞ぐように、ロータコア１９の軸線方向の両端に固定されている。端板２２は、各永久磁石２１が磁石スロット２０から抜け落ちることを防止している。端板２２は、非磁性材料で製作されるのが望ましい。

図３は、本実施の形態１に係る駆動システムに設けられた電力変換器の回路構成を示した回路図である。本実施の形態１に係る駆動システムは、図１及び図２に示した回転電機であるモータ１と、モータ１の相導体１７に接続された電力変換器とから構成される。電力変換器は、例えばインバータである。

図３に示すように、電力変換器は、Ａ相コイル、Ｂ相コイル、Ｃ相コイル、Ｄ相コイル、Ｅ相コイル、Ｆ相コイルの、合計６個の相コイル３０を有している。各相コイル３０は、互いに独立している。各相コイル３０は、相ごとに、第１のレグ３１および第２のレグ３２に接続されている。各相コイル３０は、それぞれ、別々のＨブリッジ回路を構成している。上述したオープン巻線である相導体１７ａ〜１７ｆは、順に、Ａ相コイル、Ｂ相コイル、Ｃ相コイル、Ｄ相コイル、Ｅ相コイル、Ｆ相コイルで構成されるＨブリッジに、それぞれ、接続されている。

各第１のレグ３１は、２つのＭＯＳ−ＦＥＴを直列に接続して構成されている。各第２のレグ３２は、２つの双方向スイッチを直列に接続して構成されている。各双方向スイッチは、還流防止ダイオードが接続された２つのＭＯＳ−ＦＥＴのソース端同士を接続して構成されている。

また、電力変換器は、第１の切替レグ３３および第２の切替レグ３４を有している。第１の切替レグ３３は、２つのＭＯＳ−ＦＥＴを直列に接続して構成されている。同様に、第２の切替レグ３４は、２つのＭＯＳ−ＦＥＴを直列に接続して構成されている。

また、直流電源３５が、第１のレグ３１、第２のレグ３２、第１の切替レグ３３、および、第２の切替レグ３４に対して、並列に接続されている。

第１のレグ３１、第２のレグ３２、第１の切替レグ３３および第２の切替レグ３４は、各相の給電回路５０を構成している。以下では、各相の給電回路５０を、それぞれ、Ａ相給電回路、Ｂ相給電回路、Ｃ相給電回路、Ｄ相給電回路、Ｅ相給電回路、Ｆ相給電回路と呼ぶこととする。

Ａ相給電回路からＦ相給電回路までの各相における第２のレグ３２を構成する２つの双方向スイッチ同士の接続点を中点３６と呼ぶ。このとき、図３に示すように、すべての相の第２のレグ３２の中点３６同士が、それぞれ、接続線３７を介して、相互に接続されている。従って、各相の第２のレグの中点３６は、少なくとも、後述する第１の切替レグ３３の中点３８同士および第２の切替レグ３４の中点４０同士が接続された相同士で相互に接続されている。

また、Ａ相給電回路からＦ相給電回路までの各相における第１の切替レグ３３を構成する２つのＭＯＳ−ＦＥＴ同士の接続点を中点３８と呼ぶ。このとき、Ａ相給電回路とＢ相給電回路の第１の切替レグ３３の中点３８同士が接続線３９を介して相互に接続されている。同様に、Ｃ相給電回路とＤ相給電回路の第１の切替レグ３３の中点３８同士が接続線３９を介して相互に接続されている。また、同様に、Ｅ相給電回路とＦ相給電回路の第１の切替レグ３３の中点３８同士が接続線３９を介して相互に接続されている。

さらに、Ａ相給電回路からＦ相給電回路までの各相における第２の切替レグ３４を構成する２つのＭＯＳ−ＦＥＴ同士の接続点を中点４０と呼ぶ。このとき、Ａ相給電回路とＤ相給電回路の第２の切替レグ３４の中点４０同士が接続線４１を介して相互に接続されている。同様に、Ｂ相給電回路とＥ相給電回路の第２の切替レグ３４の中点４０同士が接続線４１を介して相互に接続されている。さらに、同様に、Ｃ相給電回路とＦ相給電回路の第２の切替レグ３４の中点４０同士が接続線４１を介して相互に接続されている。

なお、上記の説明においては、図３において、第１の切替レグ３３および第２の切替レグ３４が、２つのＭＯＳ−ＦＥＴから構成されると説明したが、その場合に限らず、例えばＩＧＢＴなどの他の半導体スイッチから構成してもよく、あるいは、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などのワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体スイッチにより構成されてもよい。

また、直流電源３５は、鉛バッテリ、リチウムイオンバッテリなどで構成される。

次に、上記構成を有する駆動システムの動作について説明する。

Ａ相給電回路からＦ相給電回路までの第１の切替レグ３３および第２の切替レグ３４の全てのＭＯＳ−ＦＥＴがＯＦＦされているとき、Ａ相給電回路からＦ相給電回路までは互いに独立な回路となる。それぞれ３０度ずつ位相のずれた６相の電流を通電することで全節分布巻の動作が実現される。

Ａ相給電回路からＦ相給電回路までの第２のレグ３２と第１の切替レグ３３との全てのＭＯＳ−ＦＥＴがＯＦＦされており、第１のレグ３１と第２の切替レグ３４とがＨブリッジのＰＷＭ動作をする場合、Ａ相コイルとＤ相コイル、Ｂ相コイルとＥ相コイル、Ｃ相コイルとＦ相コイルは直列に接続され、それぞれ１２０度ずつ位相のずれた３相の電流を通電することで短節分布巻の動作が実現される。

次に、Ａ相給電回路からＦ相給電回路までの第２のレグ３２と第２の切替レグ３４の全てのＭＯＳ−ＦＥＴがＯＦＦされており、第１のレグ３１と第１の切替レグ３３がＨブリッジのＰＷＭ動作をする場合、Ａ相コイルとＢ相コイル、Ｃ相コイルとＤ相コイル、Ｅ相コイルとＦ相コイルは直列に接続され、それぞれ１２０度ずつ位相のずれた３相の電流を通電することで集中巻の動作が実現される。

このように、本実施の形態１に係る駆動システムは、第１のレグ３１、第２のレグ３２、第１の切替レグ３３、第２の切替レグ３４を構成している各スイッチのＯＮ／ＯＦＦを切り替えることにより、相導体１７の巻線接続パターンを切り替えることができる。本実施の形態１においては、巻線接続パターンとして、全節分布巻、短節分布巻、集中巻の３つのパターンがある場合を例に挙げている。巻線接続パターンの個数をＮ個とすると、切替レグの個数は、Ｎ−１個必要となる。本実施の形態１では、巻線接続パターンが３個であるため、２個の切替レグ、すなわち、第１の切替レグ３３および第２の切替レグ３４が設けられている。ここで、Ｎは、２以上の整数である。

巻線の切替は、指令トルクと回転数とに対して、電力変換器が保持しているトルク・回転数・電源電圧に対する電流指令値およびスイッチの状態が記載されたマップに従い、スイッチの状態を切り替える。各スイッチの状態は、図４のマップに示すように、ＰＷＭのスイッチングを行う「ＳＷ」、常時ＯＮの「ＯＮ」、常時ＯＦＦの「ＯＦＦ」のいずれかに該当する。動作の切り替わりは瞬時に行われ、この際、切り替わり後の電流指令に従ってＰＷＭのスイッチングの指令が決定される。なお、図４のマップにおいて、短節分布巻の動作における「ＯＮ→ＯＦＦ」の記載は、全節分布巻動作から短節分布巻の動作に切り替わった後に、デッドタイム分の時間を空けてＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わることを意味している。

なお、図４のマップにおいて、「１Ｈ」および「１Ｌ」は、それぞれ、各相給電回路５０の第１のレグ３１の上側スイッチおよび下側スイッチである。「２ＨＨ」および「２ＨＬ」は、それぞれ、第２のレグ３２の上側の双方向スイッチを構成する上側スイッチおよび下側スイッチである。「２ＬＨ」および「２ＬＬ」は、それぞれ、第２のレグ３２の下側の双方向スイッチを構成する上側スイッチおよび下側スイッチである。「１ＫＨ」および「１ＫＬ」は、それぞれ、第１の切替レグ３３の上側スイッチおよび下側スイッチである。「２ＫＨ」および「２ＫＬ」は、それぞれ、第２の切替レグ３４の上側スイッチおよび下側スイッチである。

なお、上記の説明においては、全節分布巻→短節分布巻→集中巻の切替、あるいは、集中巻→短節分布巻→全節分布巻の切替について記載したが、全節分布巻から集中巻、あるいは、集中巻から全節分布巻のように、短節分布巻の状態を経由せずに直接切り替えることも可能である。

このように、本実施の形態１においては、各相給電回路のスイッチの状態を切り替えることで異なる巻線接続パターンによる巻線接続状態を実現し、モータ１の動作特性を切り替えることができる。

次に、１つの巻線接続状態から他の巻線接続状態へ切り替える手順を説明する。例えば全節分布巻の動作から短節分布巻の動作に切り替える場合について説明する。全節分布巻動作において、第２のレグ３２の２つの双方向スイッチの下側スイッチ「２ＨＬ」及び「２ＬＬ」は常にＯＮされており、第２のレグ３２の２つの双方向スイッチの上側スイッチ「２ＨＨ」及び「２ＬＨ」をＰＷＭ動作することで、相コイルに通電する電流を制御する。このとき、第１の切替レグ３３および第２の切替レグ３４のＭＯＳ−ＦＥＴ、すなわち、「１ＫＨ」、「１ＫＬ」、「２ＫＨ」、「２ＫＬ」は、全て、ＯＦＦされている。全節分布巻動作から短節分布巻の動作に切り替えるとき、全節分布巻動作において、第２のレグ３２の２つの双方向スイッチの下側スイッチ「２ＨＬ」及び「２ＬＬ」をＯＮしたまま、ＰＷＭ動作する第２のレグ３２の２つの双方向スイッチの上側スイッチ「２ＨＨ」及び「２ＬＨ」に代わって、第２の切替レグ３４の２つのＭＯＳ−ＦＥＴ「２ＫＨ」および「２ＫＬ」をＰＷＭ動作させる。この際、同時に、電流指令を短節分布巻の指令に変更する。次に、第２のレグ３２の２つの双方向スイッチの下側スイッチ「２ＨＬ」及び「２ＬＬ」をＯＦＦにする。このような手順で切り替えることで、相コイルを開放することなく、巻線接続状態を切替可能であり、切替時にサージ電圧が発生しない。また、相コイルの電流が途切れることがないため、切替に伴うトルク脈動が発生しない。短節分布巻から全節分布巻の動作に切り替える際には逆の手順を行う。

次に、短節分布巻から集中巻の動作に切り替える際には、電流指令を集中巻の指令に切り替える。また、同時に、ＰＷＭ動作するスイッチを第２の切替レグ３２のスイッチ「２ＫＨ」及び「２ＫＬ」から、第１の切替レグ３４のスイッチ「１ＫＨ」及び「１ＫＬ」に変更する。このようにすれば、全節分布巻動作から短節分布巻動作に切り替えるときと同様に、相コイルを開放することなく、巻線接続状態を切替可能であり、切替時にサージ電圧が発生せず、また、相コイルの電流が途切れることがないため、切替に伴うトルク脈動が発生しない。集中巻から短節分布巻の動作に切り替える際には逆の手順を行う。

上記の実施の形態１では、結線の切替判断にはマップを用いたが、電源電圧に対するモータの要求電圧から判断して切替てもよい。このようにすれば、効率が最大になるように動作を決定することはできないが、例えば、電源電圧に対するモータの要求電圧が９５％以上または以下になれば、全節分布巻→短節分布巻→集中巻または集中巻→短節分布巻→全節分布巻を切り替えるように予め決めておくことで、マップに要求されるメモリ量を削減し、応答を高速化することができる。

以上のように、本実施の形態１においては、各相の第２のレグ３２の中点３６同士をすべて相互に接続している。また、Ａ相給電回路とＢ相給電回路の第１の切替レグ３３の中点３８同士を相互に接続し、Ｃ相給電回路とＤ相給電回路の第１の切替レグ３３の中点３８同士を相互に接続し、Ｅ相給電回路とＦ相給電回路の第１の切替レグ３３の中点３８同士を相互に接続している。さらに、Ａ相給電回路とＤ相給電回路の第２の切替レグ３４の中点４０同士を相互に接続し、Ｂ相給電回路とＥ相給電回路の第２の切替レグ３４の中点４０同士を相互に接続し、さらに、Ｃ相給電回路とＦ相給電回路の第２の切替レグ３４の中点４０同士を相互に接続している。こうして、各レグのスイッチのＯＮ／ＯＦＦを図４のマップに従って切り替えることで、巻線接続状態が切替可能である。こうして、巻線接続状態を切り替えることで、回転電機の磁束波形を変化させることができ、トルク波形および振動モードを変化させることができる。

また、本実施の形態１においては、第２のレグ３２を構成する半導体スイッチを双方向スイッチとした。これにより、巻線接続状態を切り替えることで、循環電流を発生することなく、回転電機の磁束波形を変化させることができ、トルク波形および振動モードを変化させることができる。

また、本実施の形態１においては、２つの切替レグを設けるようにしたので、３つの巻線接続パターンの切替を行うことができる。

また、本実施の形態１においては、図４のマップに従って、各相の第１の切替レグ３３の中点および第２の切替レグ３４の中点を、巻線接続パターンにおいて相互に接続される他の相の第１の切替レグ３３の中点および第２の切替レグ３４の中点に接続するようにしたので、各切替レグのスイッチのＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで、全節分布巻→短節分布巻→集中巻または集中巻→短節分布巻→全節分布巻を切り替えることができる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る駆動システムの回路を示す回路図である。図５において、各相給電回路５０Ａの第１のレグ３１Ａ、第２のレグ３２、第１の切替レグ３３Ａ、第２の切替レグ３４Ａを構成するスイッチは、それぞれ、２つの双方向スイッチを直列に接続して構成されている。その他の構成は、上記の実施の形態１と同様である。

上記の実施の形態１においては、第２のレグ３２のみを、２つの双方向スイッチを直列に接続して構成し、第１のレグ３１、第１の切替レグ３３、第２の切替レグ３４については、２つのＭＯＳ−ＦＥＴを直列に接続して構成する例について説明した。

これに対し、本実施の形態２においては、第２のレグ３２のみではなく、第１のレグ３１Ａ、第１の切替レグ３３Ａ、第２の切替レグ３４Ａについても、２つの双方向スイッチを直列に接続して構成している。この点のみが、実施の形態１と異なる。

なお、第１のレグ３１Ａ、第１の切替レグ３３Ａ、第２の切替レグ３４Ａを構成する各双方向スイッチは、それぞれ、還流防止ダイオードが接続された２つのＭＯＳ−ＦＥＴのソース端同士を接続して構成されている。

本実施の形態２における切替において、第１のレグ３１Ａ、第１の切替レグ３３Ａ、第２の切替レグ３４Ａのそれぞれの双方向スイッチの下側スイッチは、常に、ＯＮ状態にしておく。その他の手順は実施の形態１と同様である。また、各スイッチの状態は図６のマップに示す通りになる。

なお、図６のマップにおいて、「１ＨＨ」および「１ＨＬ」は、それぞれ、第１のレグ３１Ａの上側の双方向スイッチを構成する上側スイッチおよび下側スイッチである。「１ＬＨ」および「１ＬＬ」は、それぞれ、第１のレグ３１Ａの下側の双方向スイッチを構成する上側スイッチおよび下側スイッチである。「２ＨＨ」および「２ＨＬ」は、それぞれ、第２のレグ３２の上側の双方向スイッチを構成する上側スイッチおよび下側スイッチである。「２ＬＨ」および「２ＬＬ」は、それぞれ、第２のレグ３２の下側の双方向スイッチを構成する上側スイッチおよび下側スイッチである。

また、図６のマップにおいて、「１ＫＨＨ」および「１ＫＨＬ」は、それぞれ、第１の切替レグ３３Ａの上側の双方向スイッチを構成する上側スイッチおよび下側スイッチである。「１ＫＬＨ」および「１ＫＬＬ」は、それぞれ、第１の切替レグ３３Ａの下側の双方向スイッチを構成する上側スイッチおよび下側スイッチである。「２ＫＨＨ」および「２ＫＨＬ」は、それぞれ、第２の切替レグ３４Ａの上側の双方向スイッチを構成する上側スイッチおよび下側スイッチである。「２ＫＬＨ」および「２ＫＬＬ」は、それぞれ、第２の切替レグ３４Ａの下側の双方向スイッチを構成する上側スイッチおよび下側スイッチである。

以上のように、本実施の形態２においても、上記の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施の形態２においては、各相給電回路５０Ａにおいて、第１のレグ３１Ａ、第２のレグ３２、第１の切替レグ３３Ａ、第２の切替レグ３４Ａを、すべて、同じ構成とした。このような構成にすれば、全てのレグ３１Ａ，３２，３３Ａ，３４Ａを同じ構成で製造できるため、部品の共用化ができる。また、全てのレグ３１Ａ，３２，３３Ａ，３４Ａを同様に設計できるため、設計しやすく、設計にかかる工程を短くすることができる。さらに、全てのレグ３１Ａ，３２，３３Ａ，３４Ａを構成するスイッチの特性を同じにすることができるため、制御しやすい。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る駆動システムの回路を示す回路図である。本実施の形態３においては、図７に示すように、各相給電回路５０Ｂは、第１のレグ３１Ａ、第２のレグ３２、第１の切替レグ３３Ａ、相コイル３０、直流電源３５で構成されている。その他の構成は実施の形態２と同様である。

上記の実施の形態２においては、各相給電回路５０Ａは、第１のレグ３１Ａ、第２のレグ３２、第１の切替レグ３３Ａ、第２の切替レグ３４Ａ、相コイル３０、直流電源３５で構成されている。これに対し、本実施の形態３においては、第２の切替レグ３４Ａが設けられていない点が、実施の形態２と異なる。また、上記の実施の形態２では、Ａ相〜Ｆ相の第２のレグ３２の中点３６同士が接続線３７ですべて相互に接続されていたが、本実施の形態３では、第２の切替レグ３４Ａの削除に伴い、各相の第２のレグ３２が、第２の切替レグ３４Ａの中点４０同士が接続された相同士で相互に接続される必要がないため、Ｂ相とＣ相との間の接続線３７およびＤ相とＥ相との間の接続線３７は特に設けなくてもよい。そのため、図７の例では、Ａ相とＢ相の第２のレグ３２の中点３６同士、Ｃ相とＤ相の第２のレグ３２の中点３６同士、Ｅ相とＦ相の第２のレグ３２の中点３６同士だけが接続線３７で接続されている。

本実施の形態３における切替において、第１のレグ３１Ａおよび第１の切替レグ３３Ａのそれぞれの双方向スイッチの下側スイッチは、常に、ＯＮ状態にしておく。その他の手順は実施の形態１と同様である。また、各スイッチの状態は図８のマップに示す通りになる。

このような構成によれば、駆動システムは、全節分布巻と集中巻の２つの特性を切り替えて動作出来る。本実施の形態３によれば、各相給電回路５０Ｂに必要な切替レグの数は１つであるため、第１の切替レグ３３Ａのみを設けている。第２の切替レグ３４Ａを設けない分だけ、切替レグおよび切替レグの中点を接続する接続線の数を半減することができる。

以上のように、本実施の形態３においては、各レグのスイッチのＯＮ／ＯＦＦを図８のマップに従って切り替えることで、巻線接続状態が切替可能である。こうして、巻線接続状態を切り替えることで、回転電機の磁束波形を変化させることができ、トルク波形および振動モードを変化させることができる。さらに、本実施の形態３においては、巻線接続パターンが２つであるため、１つの切替レグを設ける構成としたので、切替レグの個数および切替レグの中点を接続する接続線の数を半減することができるため、製造工程が少なく、かつ、製造コストを抑えることができる。

なお、上記の実施の形態１から実施の形態３までにおいて、モータ１は８極４８スロットのＩＰＭモータとしたが、極数とスロット数の組合せはこれに限らず、例えば６極３６スロット、１０極６０スロット等でもよい。また、毎極毎相２に限らず、毎極毎相１、毎極毎相３等でもよい。さらに、ＩＰＭモータに限らず、ＳＰＭモータ、シンクロナスリラクタンスモータ等の同期モータの他、誘導モータの構成でも同様の効果を得られる。

１ モータ、２ フレーム、３ 負荷側ブラケット、４ 反負荷側ブラケット、５ 負荷側ベアリング、６ 反負荷側ベアリング、７ シャフト、８ ロータ、９ ステータ、１０ ケース、１１ ベアリング押さえ、１２ 波ワッシャ、１３ ヨーク、１４ ティース、１５ ステータコア、１６ ステータスロット、１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆ 相導体、１８ インシュレータ、１９ ロータコア、２０ 磁石スロット、２１ 永久磁石、２２ 端板、２３ 負荷側リード、２４ 反負荷側リード、２５ 引出し口、３０ 相コイル、３１，３１Ａ 第１のレグ、３２ 第２のレグ、３３，３３Ａ 第１の切替レグ、３４，３４Ａ 第２の切替レグ、３６，３８，４０ 中点、３７，３９，４１ 接続線、５０ 給電回路。

Claims (8)

1. オープン巻線構造の回転電機と、
   前記オープン巻線がＨブリッジに接続された電力変換器と
   を備え、
   各前記電力変換器は、
   ２つ以上の半導体スイッチを直列に接続して構成された第１のレグと、
   ２つ以上の半導体スイッチを直列に接続して構成された第２のレグと、
   ２つ以上の半導体スイッチを直列に接続して構成された１つ以上の切替レグと
   を有し、
   前記回転電機は、電気角での空間位相が異なる複数のスロットを有し、
   前記オープン巻線は、各相ごとに前記スロットに挿入され、
   前記各相のうちの１つの相の前記切替レグの中点と、前記各相のうちの他の相の前記切替レグの中点とが接続され、
   前記各相の前記第２のレグの中点が、前記切替レグの中点同士が接続された相同士で相互に接続され、
   相ごとに個別に設けられ、各相の前記電力変換器に対して並列に接続された直流電源をさらに備える
   駆動システム。
2. 前記第２のレグの前記半導体スイッチは、双方向スイッチから構成されている、
   請求項１に記載の駆動システム。
3. 前記第１のレグの前記半導体スイッチ、前記第２のレグの前記半導体スイッチ、および、前記切替レグの前記半導体スイッチは、双方向スイッチから構成されている、
   請求項１に記載の駆動システム。
4. 前記第１のレグの前記半導体スイッチをＰＷＭ動作させ、
   前記第２のレグの前記双方向スイッチの下側スイッチをすべてＯＮにした状態で、前記第２のレグの前記双方向スイッチの上側スイッチをすべてＰＷＭ動作させ、
   前記切替レグの前記半導体スイッチをすべてＯＦＦにすることで、
   前記駆動システムの前記オープン巻線の巻線接続パターンを全節分布巻に設定する、
   請求項２または３に記載の駆動システム。
5. 前記切替レグは、第１の切替レグと第２の切替レグとを含み、
   前記第２のレグのすべての前記半導体スイッチおよび前記第１の切替レグのすべての前記半導体スイッチをＯＦＦにし、
   前記第１のレグと前記第２の切替レグとにＨブリッジのＰＷＭ動作させることで、
   前記駆動システムの前記オープン巻線の巻線接続パターンを短節分布巻に設定する、
   請求項２または３に記載の駆動システム。
6. 前記切替レグは、第１の切替レグと第２の切替レグとを含み、
   前記第２のレグのすべての前記半導体スイッチおよび前記第２の切替レグのすべての前記半導体スイッチをＯＦＦにし、
   前記第１のレグと前記第１の切替レグとにＨブリッジのＰＷＭ動作させることで、
   前記駆動システムの前記オープン巻線の巻線接続パターンを集中巻に設定する、
   請求項２または３に記載の駆動システム。
7. 前記駆動システムが前記オープン巻線の巻線接続パターンをＮ個有し、ここで、Ｎは２以上の整数のとき、
   前記切替レグの個数は、Ｎ−１個である、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の駆動システム。
8. 前記各相のうちの１つの相の前記切替レグの中点は、前記巻線接続パターンにおいて相互に接続される他の相の前記切替レグの中点に接続された、
   請求項７記載の駆動システム。

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